控制脉冲转换器中的场效应晶体管。方案、说明

脉冲转换器中场效应晶体管的控制。无线电电子电气工程百科全书

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如您所知，在脉冲电压转换器中使用强大的场效应晶体管代替双极晶体管具有许多优点。您可以在专门文献中读到这一点，但是，首先，普通读者实际上无法理解它，其次，控制强大场效应晶体管的问题通常以一般形式列出，由于没有参考具体电路，因此缺少工作转换器的详细描述。本文作者介绍了场效应晶体管在此类器件中的使用特点。

具有感应n沟道的MIS结构的场效应晶体管在脉冲电压转换器中应用最广泛。在栅极电压为零（相对于源极）时，晶体管闭合并以具有相当明确定义的阈值的正电压打开。

上图。图 1 显示了通过实验测量的 IRF630 晶体管的漏极电流与栅源电压的关系。从完全闭合状态到饱和状态的输入电压间隔不超过0,5V，这意味着晶体管通常处于开关状态。

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

由于通道中没有电荷载流子的积累，因此它们没有时间被吸收。当满工作电流达到 20 A 时，漏极电流脉冲与相应控制信号的上升和下降持续时间为 30 ... 9 ns。最大工作漏源电压 Us max = 200 V，最大耗散功率P pac 最大值 = 75 W。

MIS 晶体管的输入电阻是纯电容性的，但这并不意味着当控制脉冲施加到栅极时，它会像传统电容器一样工作。在晶体管的等效电路上，区分了三个主要电容：输入Czi - 栅极和源极之间；通道Cse - 漏极和栅极之间，输出Cci - 漏极和源极之间。

电容Sei像传统电容器一样充电至阈值电压Upor。一旦晶体管打开，就会通过电容Ссз产生负电压反馈。输入电容的充电曲线上出现水平部分。其持续时间取决于充电电流，从几分之一到几微秒，但是，它在漏极电流脉冲的形成中起着重要作用。

为了研究充电曲线的特征，组装了一个节点，其方案如图2所示。 3（无电阻器 R1）。该节点由两个电源 Upit2 和 UpitXNUMX 供电，因为漏极电压达到数百伏。

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

图 3 给出了节点特征点处任意比例的应力图。 XNUMX.

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

直到此时，输入端的正电压使晶体管 VT1 保持打开状态。触发脉冲的上升和下降持续时间（与示波器放大器的上升时间之和）不超过20纳秒，因此图中未显示。在t1...t2段，当晶体管VT1已经关闭时，VT2也仍然关闭，并且其栅极电压随着时间常数R2Czi呈指数增加。在屏幕上，这个初始部分看起来像一条直线段。

晶体管 VT2 在时间 t2 处打开，即有一些延迟。我们将其指定为 tset1 = t2 - t1。从t2时刻开始，负反馈开始通过电容Ссз（米勒效应）作用在漏极和栅极之间。栅极电压停止增加，t2 ... t3 部分中的图 b 是屏幕上的水平线。另一方面，从时刻t2开始，b点的电压由于漏极电流的增加而开始下降。

t3时刻，三极管VT2完全开通，其漏极电压几乎为零并保持恒定，负OS通过Cse关断（OS电流为零）。栅极电压再次开始呈指数增加直至 Upit1。

在t4时刻，晶体管VT1打开，电容Czi开始放电。其放电的时间常数远小于充电的时间常数，因此晶体管VT2的栅极电压下降得很快，直到达到Unop值（t5时刻），晶体管VT2保持开路状态。

在时间t5，它开始关闭，其漏极上的电压开始增加，并且负FB再次启动。图 b 上出现了一个步骤，但由于收盘速度非常快，因此其持续时间非常短。晶体管在其栅极电压降至零之前关闭。 U至t5的时间间隔为关断延迟时间tset2=t5-t4。

脉冲电压转换器可靠运行的最重要条件之一是为大功率晶体管形成安全开关模式。当晶体管导通时，漏极电流从零增加到最大值，并且其两端的电压从最大值减小到几乎为零。当晶体管关闭时，过程相反。在整个工作点轨迹上，电流和电压及其乘积必须不超过允许值。必须排除或最小化过渡位置的电流和电压浪涌。

这些目标是通过强制减慢晶体管的开关过程来实现的。同时，脉冲的上升和下降应该尽可能短，以减少晶体管的发热，即必须找到折衷方案。实验表明，场效应晶体管比双极晶体管更容易解决这个问题。

漏极电流脉冲的上升时间等于水平部分 t2...t3 的持续时间，而水平部分 t2...t2 的持续时间又与电阻器 R2 的电阻成正比（见图 4）。前沿持续时间 tf 对电阻器 RXNUMX 电阻的依赖性如图 XNUMX 所示。 XNUMX. 因此，通过选择该电阻，您可以轻松设置所需的漏极电流上升率。

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

根据图2的方案打开场效应晶体管。 XNUMX 有一个有趣的功能有助于解决问题。脉冲初始阶段漏极电流的上升速率明显减小，导致漏极电流脉冲前端完全没有浪涌（漏极电流脉冲的形状可以通过形状来判断） c) 点的电压脉冲强大的场效应晶体管的开启时间与双极晶体管的开启时间大致相同（根据相应的方案包括在内），并且关闭时间要少十倍。

因此，对于 Upit630 × 1 V 和 R15 × 2 欧姆的 IRF560 晶体管，topen = 0,5 μs，tclose = 0,06 μs。在如此高的闭合速度下，漏极电压脉冲的压降在 Up = 7,5 V 时会出现 20 V 的浪涌。脉冲幅度也是 20 V，这意味着浪涌是其幅度的 27,5%。

有些人认为浪涌是由于输入信号直接通过电容 Cse 造成的。我认为输入信号的功率对此来说太低了，尽管当然有通过的条件。我认为，更可能的原因是晶体管电源电路对漏极电流快速下降的反应。

无论如何，必须与这种现象作斗争。最简单的方法是通过增加晶体管VT2输入电容的放电时间来减少浪涌（见图2）。为此，在晶体管 VT1 的发射极电路中加入电阻器 R3。当 R3 = 56 Ohm 时，浪涌幅度降至 1,75 V 或 9%，而当 R3 = 75 Ohm 时，浪涌幅度降至 1 V 或 5%脉冲幅度。通过电阻器 R3，脉冲前沿的持续时间略有增加 - 大约 0,1 μs。

如果将一个容量为 0,47 ... 1 µF 的电容器和一个阻值为 1 ... 2 Ohm 的电阻器串联到负载电阻 Rн 的上端子（电路的第二端连接到公共线）。该电路应尽可能靠近晶体管 VT2 的端子放置。

在推挽式转换器中，除了列出的问题之外，还出现了另一个问题——电流。其出现在基于双极晶体管的器件中的原因是晶体管基极吸收多余次要载流子的时间有限，这就是为什么需要人为延迟晶体管的开通时间。在场效应晶体管中，在这些条件下，开启和关闭延迟自动发生，并且延迟持续时间稳定。

尽管场效应晶体管中没有电荷积累，但只有当tset2>tset1时才会出现直通电流。如果确保转换器的一个臂中的晶体管在另一臂中的闭合晶体管打开之前闭合，则不会出现此电流。换句话说，一个晶体管的关闭和另一个晶体管的打开之间必须有一个暂停。

打开场效应晶体管需要相对较少的功率。控制脉冲可以直接从逻辑电路的输出施加，无需事先进行电流放大。转换器本身的输出功率可达数百瓦。为了控制强大的场效应晶体管，业界生产了特殊的微电路，允许输出电流高达 100 mA 或更高。但这些是通用微电路，设计用于控制 Svx × 3000 ... 4000 pF 和数百千赫转换频率的晶体管。

由数字微电路控制的晶体管开关电路的片段如图 5 所示。晶体管VT1和VT2的输入电容分别通过电阻R1和R2充电，通过二极管VD1、VD2放电，相当于按照图2电路导通。 XNUMX.

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

上图。图6示出了不同时间尺度上晶体管VT1和VT2的漏极电流脉冲。示波器屏幕上的信号看起来像一条窄齿直线（图 6，a）。尖峰是漏极电流脉冲之间的短暂停顿。大时间尺度上的停顿形状如图 6 所示。 XNUMXb. 可以在双通道示波器的屏幕上以“求和”模式观察信号，并在其中一个通道中反转。

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

然而，如图所示的图表。图 5 并不适用于构建强大的开关电源。它们最常使用半桥电压转换器，其中大功率晶体管的控制电路必须彼此直流隔离。图 7 显示了半桥转换器的图（简化形式 - 没有一些辅助节点）。 5.根据图XNUMX的方案的装置。图XNUMX在此用作控制脉冲发生器和附加电源。

（点击放大）

该转换器工作频率为 25 kHz；输出功率 - 200 W。 CD1.1BCN芯片的逻辑元件DD1.2、DD4011上的主振荡器工作非常稳定。对于另一个微电路，频率可能与指示的频率不同，则必须选择电阻器 R2（可能还有 R3）。不宜使用 K561LA7 微电路，因为主振荡器的电源电压为 15 V，即该微电路允许的最大电压。

IRFD010 晶体管具有较小的输入电容，这就是脉冲之间的暂停不超过 0,5 µs 的原因。通过连接容量为 5 pF 或更大的电容器 C6 和 C100（如虚线所示）可以增加暂停的持续时间。他们可以对称停顿。如果暂停是对称的，则可以通过在晶体管 VT1 和 VT2 的栅极之间添加一个电容器来更容易地扩展它们。在这种情况下，脉冲上升和下降的持续时间增加不明显。

脉冲本身的对称性是通过选择电阻器 R2 来实现的。对于所描述的传感器，脉冲底部的暂停持续时间为 0,1 µs，峰值之间的暂停持续时间约为 0,45 µs。

来自变压器T1的绕组III和IV的脉冲打开大功率晶体管VT3和VT4。这种晶体管的包含与图 2 中所示的等效。带有电阻器 R3 的图 2 变压器 T8 初级绕组上任意比例的脉冲形状如图 XNUMX 所示。 XNUMX.

控制脉冲转换器中的场效应晶体管

电阻R6在器件中起着重要作用。它消除了脉冲前沿的浪涌并抑制谐振现象。可以方便地从中获取信号来观察和控制脉冲参数以及脉冲之间的停顿。他的抵抗应该是实现这些目标所需的最低限度。

作者：M.Dorofeev，莫斯科

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